[讨论]工程机械液压系统的控制技术有哪些？

液压系统动力匹配及控制技术在国外起步较早，发展较快，很多技术在国外使用后很快进入中国市场，目前国内主要停留在引进-模仿阶段，并没有自己的专有技术。

　　1、定量泵设计方法

　　在早期的工程机械系统设计中，采用定量泵设计的原则是：系统的最大工作流量(Q)与最大工作压力(P)的乘积即系统的最大输出功率(N)不能超出柴油机额定功率(Nj)。

　　但在一般工况下功率利用系数太低，且无法施展较强的控制功能，因而性能不佳。目前在小吨位(5～50t)汽车起重机和随车起重机等产品中仍在使用。

　　2、单泵恒功率控制技术

　　在单泵控制系统中，一般通过变量控制机构实现对变量泵排量的控制，在最早的恒功率控制技术中，通过对变量机构两根弹簧弹力的不同设定，能实现对变量泵输出流量的控制，其工作曲线为折线，当系统压力达到第一根弹簧设定力后，变量泵排量开始减小。当系统压力克服第二根弹簧设定力后，变量泵变量曲线斜度发生变化。通过以上控制，使其变量曲线上P、Q乘积的离散值趋近于常数C。通过以上控制大大提高了柴油机功率的利用系数，又能保证柴油机不会因过载熄火。力士乐公司开发的恒功率控制技术中，通过杠杆原理对变量控制机构进行了改进，使其功率曲线近似为反比例曲线，功率利用系数更高。

　　3、双泵恒功率控制技术

　　在双泵或多泵系统中，由于存在多泵之间功率分配的技术难题，如何使柴油机功率合理地分配到各泵，使各执行机构协调工作，尽可能发挥其最大效能，最大程度发挥出发动机功率成为关键。目前，这方面的控制技术有不同的组合形式。

　　(1)分功率控制技术

　　分功率控制是根据各泵所负责的执行机构实际需用功率，将柴油机功率按一定比例分配给各泵。在分功率控制中，每个泵均有独立的变量控制机构，使执行机构在预先设定的工作曲线上工作。但分功率控制的最大缺点是不能充分利用发动机功率，当某个泵因某种情况不需要工作时，其功率不能给另一个泵使用而白白浪费，因此极易出现“大马拉小车”的现象，无法满足大型工程机械的使用要求。

　　(2)总功率控制技术

　　总功率控制系统共用一个变量机构，因此各泵流量相同，作用在弹簧上的压力是多泵工作压力之和，当多泵压力之和的1/2达到弹簧设定值后，主泵开始变量，其变量原理与单泵恒功率的相同。

　　总功率控制可以实现多泵功率互补，当其中一个泵不工作时，其功率可被其他泵使用，柴油机功率利用系数大大提高。其最大缺点是能量损失大。因各泵工作流量相同，当其中某泵负责的执行机构不工作时，主泵仍输出大流量，多余流量必然会转化为热量。总功率控制另一个缺点是无法实现对多执行机构不同速度的控制。

　　(3)交叉传感控制技术

　　交叉传感控制系统是上世纪80年代日本在总功率控制和分功率控制基础上研制出的一种新型功率控制技术。它是在分功率控制基础上，将两个泵工作压力实现交叉控制，即每个泵各自有变量机构，各自流量可以不同，当其中一个泵的功率利用小于总功率的50%时，多余功率可被另一个泵利用，当两个泵的功率利用系数都达到50%时，每个泵都利用总功率的50%。交叉传感控制技术集中了总功率控制和分功率控制的优点，摒弃了它们的缺点，较为理想。但仍不能全部利用柴油机功率，而且功率分配在多执行机构同时工作，当某泵所负责的执行机构工作速度调至很低且负荷较大时，因交叉传感已将压力反馈给另一个泵，此时另一个泵最多只能利用50%的功率，而第一个泵却没有用完50%的功率，显然在这种工况柴油机功率利用系数仍然偏低。

　　(4)负反馈交叉传感功率控制技术

　　交叉传感控制技术虽然在某种程度最大限度地利用了柴油机功率，但只限于两个主泵之间。而对于多泵控制系统，由于各泵并不同时处于工作状态，或者即使都处于工作状态，但并不同时以最大排量或最大压力工作，这样还是无法准确确定变量泵的实际输出功率，易造成功率设定超载或过于保守。

　　力士乐公司上世纪90年代开发的负反馈交叉传感功率控制技术将其他泵的压力反馈至主泵的功率控制口，当其他泵不工作时，反馈压力为0，主泵在最大功率点工作，当其他泵工作后，系统根据反馈压力自动将主泵设定功率降低。这种控制不仅可使各泵所利用的功率实现互补，还可以最大限度地提高主泵输出功率。负反馈交叉传感功率控制技术由于交叉传感在功率控制上自身的缺陷，随着被反馈液压泵数量的增加，这种控制方法不仅效果越来越不理想，而且难度越来越大，系统也过于复杂。

　　4、计算机控制功率优化控制技术

　　综上所述，传统动力匹配及控制技术，虽取得了明显的效果，但都未能从根本上解决问题。随着计算机技术的发展，20世纪90年代以来，国外很多公司将计算机技术成功地应用到动力匹配及控制技术中，取得了良好的效果。传统的恒功率控制中，控制系统与柴油机的匹配非常保守，液压泵的输出转矩要远低于柴油机最大输出转矩，且当柴油机性能下降时易使柴油机转速下降导致熄火。浙江大学流体传动及控制国家重点试验室新建的节能试验台，采用计算机功率优化控制系统。它设有多种工作选择模式和怠速模式，用户可按负载大小和实际工作需要进行选择，每一个工作模式对应于一定的油门位置。当设定好一定的工作模式后，计算机向步时电机发出输出指令，给定一个油门开度，同时控制系统可根据工作模式，在系统数据库中查出该油门开度下的柴油机目标转速。该系统还有一个输出模式选择，即最大功率模式和最节省燃油模式。在设定了功率模式和输出模式后，通过检测柴油机的工作转速的变化可对油门和主泵排量进行按比例无级控制，从而使柴油机始终在目标转速范围内工作。

　　目前该项研究仅停留在试验阶段，该控制系统中，工作模式在CPU中进行预先设定，因此用户必须在CPU规定的模式下进行选择，可选模式受到限制，无法满足用户各项使用要求。在混凝土泵车行业，目前三一重工开发出的柴油机转速闭环控制装置，利用PLC中的PID控制指令对柴油机输出转速进行PID调节，有效地减少了柴油机工作转速在液压系统输出功率加大后造成的波动，使控制系统在不同负荷下都能维持同一工作转速。该控制系统提高了整机输出功率和工作效率，使柴油机在较低转速工作时不会因过载产生怠速或熄火现象，因此液压系统和柴油机之间的匹配得以优化。但该控制系统只是实现了对柴油机工作转速的闭环控制，在系统超载产生柴油机失速后，只是通过加大油门开度实现转速的恒定，并没有实现对液压泵排量的控制，因此并没有真正实现对液压系统和柴油机之间的最佳匹配和控制，而且当柴油机在较高转速工作时，控制效果并不理想。计算机功率优化控制技术的出现，不但使柴油机和匹配实现最优化，还使液压系统更趋于简单化。

　　5、存在的主要问题

　　目前国内对液压动力匹配的核心技术多集中在国外专业公司手中，国内缺乏自主创新能力，无法对现有产品进行必要的改进和提高;系统数学模型建立较为复杂，很多研究还集中在定性方面，缺乏理论计算基础;对柴油机技术、液压系统控制技术、电气控制(主要涉及PLC控制领域)3者应进行有效接口，提出系统控制方案;对柴油机、液压等系统缺乏必要的测试手段。